CN111414001B - 一种用于低空航空器的自主停机装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低空航空器的自主停机装置和方法，属于多传感器检测领域，装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。本发明装置和方法能够实现远距离停机坪与障碍物的高精度识别，提高低空航空器自主停机的准确度和安全性。

Description

一种用于低空航空器的自主停机装置和方法

技术领域

本发明属于多传感器检测领域，更具体地，涉及一种用于低空航空器的自主停机装置和方法。

背景技术

早年，由于低空航空器(最大飞行高度为500米)无法实现自主感知环境，故对于航空器的停机方案多采用基于无线遥控的手动停机方法，该方法操作难度大，需要飞手具备相当的遥控经验，同时，其停机精度完全取决于飞手的专业素养及工作时的状态，由此，导致航空器的停机具有相当大的不确定性。这种不确定性的存在，极有可能导致严重经济损失与人员伤亡，为此，急需研发与停机过程相关的辅助装置，以提高低空航空器停机过程的准确性与安全性。

为实现上述目的，近年来，国内外众多研究人员开发了多种辅助停机装置或自主停机装置。其中，通过将摄像头获取的停机坪图像与标志的先验知识相结合，以分割出图像中待检测的部分，并根据着陆场图案的不变矩特征和透视投影不变性，得到无人机与着陆场之间的相对位置以及偏航偏差，从而实现自主停机；或者通过将摄像头实时采集的图像与模板图像进行匹配，根据匹配结果得到着陆场的横向与纵向位移，结合角度传感器和测距传感器得到飞行器的姿态；此外，还可通过相关目标识别算法对停机坪进行检测，既可以通过先利用Hough算法对停机坪中的特征圆进行识别，再使用特征角点识别算法识别停机坪中的特征字符“H”；也可以通过先将传统的“H”地标的中间的横线向下移动，得到上下两部分不对称的着陆场图标，再采用双目视觉系统检测图像特征，最后运用姿态估计算法，得到无人机与着陆场的相对位置。

上述方法多采用视觉手段，由于视觉检测无法获取停机坪的深度信息，导致停机精度较低；而采用双目视觉技术虽然可以获取深度信息，但由于摄像头之间的距离限制，对于检测较远距离障碍物有一定的难度。

总体而言，基于视觉的自主停机装置与方法无法实现远距离、高精度的停机过程，造成低空航空器自动停机的准确度和安全性较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于低空航空器的自主停机装置，其目的在于实现远距离停机坪与障碍物的高精度识别，提高低空航空器自主停机的准确度和安全性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于低空航空器的自主停机装置，该装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；

激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；

摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；所述摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；

控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。

进一步地，激光雷达为多线激光雷达或单线激光雷达。

进一步地，所述控制器包括图像处理单元、融合单元、校正单元、预警单元、停机单元：

图像处理单元，用于对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；

融合单元，用于对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

校正单元，用于利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δh_p，Δh_w}满足：

Δh_p≤(e·p_h)/(2H tanθ/2)；

Δh_w≤(e·p_w)/(2H tanθ/2)；

其中，Δh_p、Δh_w为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，p_h，p_w为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；

预警单元，用于根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；

停机单元，用于当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行上述停机运动。

进一步地，对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸，具体为：通过以下公式对停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，得到停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

h_T＝(2Hh_ptanθ/2)/p_h

w_T＝(2Hw_ptanθ/2)/p_w

其中，h_T，w_T为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，h_p，w_p为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度。

进一步地，所述装置还包括：机壳和底座；所述底座为四方体支架结构；所述机壳为空心四方体结构，且其内部设置有H型结构的安装框架；激光雷达固定在安装框架上，机壳固定在底座上方。

进一步地，所述装置还包括备用电源、稳压模块、存储模块和显示模块，分别通过所述安装框架固定在机壳内部。

本发明另一方面提供了一种用于低空航空器的自主停机方法，包括：

S1.获取航空器到停机坪的距离信息；

S2.对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；

S3.根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。

进一步地，步骤S3具体包括：

S3.1.对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；

S3.2.对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

S3.3.利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δh_p，Δh_w}满足：

Δh_p≤(e·p_h)/(2H tanθ/2)；

Δh_w≤(e·p_w)/(2H tanθ/2)；

其中，Δh_p、Δh_w为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，p_h，p_w为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；

S3.4.根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；

S3.5.当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行上述停机运动。

进一步地，S3.2所述对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸，具体为：通过以下公式对停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，得到停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

h_T＝(2Hh_ptanθ/2)/p_h

w_T＝(2Hw_ptanθ/2)/p_w

其中，h_T，w_T为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，h_p，w_p为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明通过将单线激光雷达采集到距离信息与摄像部件采集到的图像信息进行融合，使二维图像信息具有深度，利用具有深度信息的停机坪图像对停机坪进行检测，获取可行停机区域；同时利用具有深度信息的周边障碍物图像，获取航空器的不可行停机区域并进行预警，提高了停机过程的安全性。

(2)本发明方法可对远距离停机坪进行识别，且具有较高精度；同时对地面停机坪与空中航空器的相对位置进行校正，使停机过程具有较高精度，进一步提高了停机过程的安全性。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的底座结构图；

图3为本发明的机壳结构图；

图4为本发明的安装框架结构图；

图5为本发明的装置部件安装结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

10为底座，20为机壳，30为安装框架，101为端盖，201为前面板，202为后面板，203为上面板，204为下面板，205为左面板，206为右面板，211为方形口，212为1号弹簧夹，213为2号弹簧夹，214为1号角铝，215为圆形槽口，401为电源、402为处理器面板、403为稳压模块、404为核心主板、406为存储模块、407为单线雷达、408为备用电源、409为摄像部件、410为显示模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的用于低空航空器的自主停机装置，其核心部件包括：激光雷达、摄像部件和控制器；激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；为使该装置的检测距离不小于航空器最大飞行高度，根据摄像头焦距f与检测距离D之间的关系f∝D，要求摄像部件对角线视角不小于75度；控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。其中，控制器包括图像处理单元、融合单元、校正单元、预警单元、停机单元：图像处理单元，对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，以增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取图片高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；融合单元，对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；h_T＝(2Hh_ptanθ/2)/p_h，w_T＝(2Hw_ptanθ/2)/p_w，h_T，w_T为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，h_p，w_p为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度，p_h，p_w为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；校正单元：利用停机坪图像对停机坪进行检测，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δh_p，Δh_w}满足：

Δh_p≤(e·p_h)/(2H tanθ/2)；

Δh_w≤(e·p_w)/(2H tanθ/2)；

其中，Δh_p、Δh_w为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，p_h，p_w为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；

预警单元：根据具有深度信息的周边障碍物图像，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；停机单元：当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，为保证停机精度与安全性，设置转平高度为100米；在停机过程中，利用PID对航空器飞行姿态进行控制；若航空器的飞行高度超过最大飞行高度时，需将高度降至最大飞行高度以下后，再进行上述停机运动。本发明中激光雷达可为多线激光雷达，也可为成本较低的单线激光雷达。

上述装置还包括：机壳20和底座10；如图1所示，机壳20固定在底座10上方，用于保护装置的重要部件，同时起到防尘、散热等作用；如图2所示，底座10为四方体支架结构，长边由两根1515型材500组成，短边由两根1515型材185组成，竖直方向由四根1515型材100组成；各边通过角码相互连接；各边与角码通过T型螺栓和法兰螺母连接；机壳一角上端安装有端盖101，用于防止人员划伤。

如图3所示，机壳20为空心四方体结构，包括前面板201、后面板202、上面板203、下面板204、左面板205、右面板206，以及四根2号型材207；前面板201、后面板202、上面板203、下面板204均通过螺栓与2号型材207侧面连接；螺栓中的螺母嵌扣在2号型材207的凹槽内；左面板205和右面板206分别通过螺钉与2号型材207的两端连接；后面板202开有方形口211；下面板204上安装有1号弹簧夹212、2号弹簧夹213和带有槽口的1号角铝214，并开有圆形槽口215；左面板205上安装有风扇，右面板206均匀开有槽口，风扇和槽口相配合，对装置进行散热。

机壳20内部设置有如图4所示的H型结构的安装框架30，该安装框架包括四根1515型材349、四根1515型材100、四根1515型材332；各根型材通过角码相互连接；各根型材与角码通过T型螺栓和法兰螺母连接；靠近后面板202和下面板204一侧的1515型材349上通过T型螺栓和法兰螺母安装有4个开有槽口的2号角铝；机壳和安装框架实现对避障装置相关部件的合理布局；作为另一个可选的实施例，布局结构如图5所示，涉及到的部件包括24V电源401、处理器面板402、稳压模块403、核心主板404、存储模块406、单线雷达407、备用电源408、摄像部件409、显示模块410；其中，电源401通过螺栓与上面板203相连；稳压模块403和核心主板404通过双头六角螺柱405与处理器面板402连接；存储模块406一端置于1号弹簧夹212内，一端通过螺钉与左端2号角铝连接；单线雷达407前端置于下面板204上的圆形槽口215内，后端通过螺钉与中部2号角铝连接；摄像部件409前端穿过下面板204上的圆形槽口215，后端通过螺钉与带有槽口的角铝214相连；显示模块410后端通过螺钉与安装框架30连接，前端与后面板的方形口211配合。

上述装置的应用过程如下：通过螺钉将底座10固定在用于低空航空器的底部，完成用于低空航空器的自主停装置的安装；通过导线将电源401与稳压模块403相连，并经过稳压模块403将电源401的输出电压转换至核心主板404的工作电压；将存储模块406、单线雷达407、备用电源408、摄像部件409、显示模块410与核心主板404相连；在用于低空航空器的升空前，将相关程序烧录至核心主板404，程序调试期间，可通过显示模块410实现交互；在用于低空航空器的飞行任务结束后，利用摄像部件409感知飞行环境信息，对目标停机坪进行检测；在摄像部件409感知到目标停机坪后，可利用单线雷达407对目标检测坪的距离进行相关感知；通过将摄像部件409和单线雷达407两者的感知信息进行融合，实现用于低空航空器的自主停机。

本发明实施例另一方面还提供了一种用于低空航空器的自主停机方法，方法各个步骤的实施过程与上述装置各个模块的功能对应，本发明在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，所述装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；

激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；

摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；所述摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；

控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机；所述控制器包括图像处理单元、融合单元、校正单元、预警单元、停机单元：

图像处理单元，用于对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；

融合单元，用于对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

校正单元，用于利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δh_p,Δh_w}满足：

Δh_p≤(e·p_h)/(2H tanθ/2)；

Δh_w≤(e·p_w)/(2H tanθ/2)；

其中，Δh_p、Δh_w为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，p_h，p_w为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；

预警单元，用于根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；

停机单元，用于当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行停机运动。

2.如权利要求1所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，激光雷达为多线激光雷达或单线激光雷达。

3.如权利要求1所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸，具体为：通过以下公式对停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，得到停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

h_T＝(2Hh_p tanθ/2)/p_h

w_T＝(2Hw_p tanθ/2)/p_w

其中，h_T，w_T为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，h_p，w_p为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，所述装置还包括：机壳和底座；所述底座为四方体支架结构；所述机壳为空心四方体结构，且其内部设置有H型结构的安装框架；激光雷达固定在安装框架上，机壳固定在底座上方。

5.如权利要求4所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，所述装置还包括备用电源、稳压模块、存储模块和显示模块，分别通过安装框架固定在机壳内部。

6.一种用于低空航空器的自主停机方法，其特征在于，包括：

S1.获取航空器到停机坪的距离信息；

S2.对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；

S3.根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机；步骤S3具体包括：

S3.1.对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；

S3.2.对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

S3.3.利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δh_p,Δh_w}满足：

Δh_p≤(e·p_h)/(2H tanθ/2)；

Δh_w≤(e·p_w)/(2H tanθ/2)；

其中，Δh_p、Δh_w为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，p_h，p_w为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；

S3.4.根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；

S3.5.当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行停机运动。

7.如权利要求6所述的一种用于低空航空器的自主停机方法，其特征在于，S3.2所述对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸，具体为：通过以下公式对停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，得到停机坪和周边障碍物的实际尺寸；

h_T＝(2Hh_p tanθ/2)/p_h

w_T＝(2Hw_p tanθ/2)/p_w

其中，h_T，w_T为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，h_p，w_p为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度。

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